Investigation on the Use of Intermediate Crops for Anaerobic Digestion as a Renewable Source of ...

74 Pages·2015·7.11 MB·English

by  Thais Nilsson

Investigation on the Use of
Intermediate Crops for Anaerobic
Digestion as a Renewable
Source of Energy
Ida Ahlberg and Thais Nilsson
Department of Chemical Engineering
Master Thesis 2015

Investigation on the Use of Intermediate
Crops for Anaerobic Digestion as a
Renewable Source of Energy
by
Ida Ahlberg and Thais Leidiomara Silva Nilsson
Department of Chemical Engineering
Lund University
June 2015

Supervisor: Associate Professor Ola Wallberg
Co-supervisor: Assistant Lecturer Emma Kreuger
Examiner: Associate Professor Mats Galbe
Picture on front page: Intermediate crops at Kronoslätt Farm. Photo by Jeppa Olanders.
Postal address Visiting address Telephone
P.O. Box 124 Getingevägen 60 [phone]
SE-221 00 Lund, Sweden [phone]
Web address Telefax
www.chemeng.lth.se [phone]
i
Preface
This master thesis has been performed at Chemical Engineering at the Department of Chemical
Engineering at Lund University at the Faculty of Engineering, LTH, Lund University.
For this master thesis project Ola Wallberg from the Department of Chemical Engineering and
Emma Kreuger from the Department of Biotechnology were our supervisors. We would like to
thank our supervisors for providing us with advice, all the necessary information and for their
regular feedback. We would also like to take the opportunity to acknowledge our examiner
Mats Galbe for his time and effort in this project. This project was included in the Metanova
project financed by Energimyndigheten (31090-2).
We want to thank Filip Vrgoc at Department of Chemical Engineering at Lund University who
patiently assisted us in a great part of the laboratory work. Also we are grateful towards Jeppa
Olanders for letting us harvest the intermediate crops to our experiments at Kronoslätt Farm
and Sven-Erik Svensson at Swedish University of Agricultural Sciences for the help and advice
about the intermediate crops, Balazs Franko and Pia-Maria Bondesson at Department of
Chemical Engineering at Lund University, for all the help and knowledge they have provided
us with issues with the laboratory experiments. We would also like to thank Victor Gustafson,
our lab colleague who made our days much better during this master thesis.
The intermediate crops used in this thesis were grown at Kronoslätt Farm in the project called
“Intermediate Crops after Whole Crop Silage as Biogas Substrate” and financed by Region
Skåne, Partnerskap Alnarp (PA 790) and Skånska Biobränslebolaget (SB3).
Finally we would like to thank our families and friends for supporting us throughout the work
with this project.
Ida Ahlberg and Thais Leidiomara Silva Nilsson
Lund, June 2015

iiiii
iii
Abstract
The eminent dilemma around the relationship between the increasing world population, the
need of new fuel sources and environment issues has raised great awareness in the last decades.
The European Parliament has set common goals such as the reduction of the greenhouse gases
by 20 % by the year of 2020, followed by the requirement of at least 10 % of the fuel has to be
biofuel. An adjacent issue is the source of the biofuel, which are currently most of agricultural
crop nature. However these energy crops should not compete with food crops and favourably
have other features that promotes its usage. Intermediate crops are for example a promising
resource since it may reduce the risk of the nutrients leaching since the crop can take up
nutrients in the soil.
The aim of this thesis was to investigate the potential of six different intermediate crops (hemp,
oilseed radish, white mustard, phacelia, sudangrass and hairy vetch) as energy resources under
anaerobic digestion condition after 30 days. Hairy vetch showed the highest methane yield (343
m3/ t VS) followed by sudangrass (316 m3/ t VS). Sudangrass showed a slight potential to
increase the methane yield (97 % of theoretical yield based on the component analysis for the
sudangrass) if steam pretreatment is for instance applied. This relatively high yield result could
be attributed to the relatively low lignin content of sudangrass compared to other crops (16 %
of TS). An important factor taken into consideration when selecting which crop to investigate
for pretreatment was also the methane yield per hectare for sudangrass which had the second
highest value (995 Nm3/ ha) after oilseed radish (1217 Nm3/ ha). Other factors were also taken
into account in the decision such as: total solids content, how easily the crop is managed in
agriculture for example due to water content and the negative impact of shared diseases with
other crops.
Based on the results and factors discussed above, the crop which had the greatest potential for
methane yield improvement but also availability of ensiled material, sudangrass, was further
investigated for the pretreatment effects on methane production. The ensiled sudangrass was
pressed into a liquid fraction and a solid fraction, where the latter was taken forward to the
pretreatment step. The pretreatment conditions studied were steam pretreatment with added
catalyst (1 % acetic acid or 2 % sodium hydroxide weight percentage base on total solid of
sudangrass, sprayed in the crop) and it was compared to steam pretreatment alone. Also
different temperatures (180 °C, 190 °C, 200 °C and 210 °C) and retention times (5 and 10 min)
were studied. The sodium hydroxide impregnated crop did not show better yield than the ensiled
sudangrass. Quite the contrary: the alkaline catalyst showed in the best case scenario (190 °C
and 10 min) a methane production decrease of 12 % compared to the solid fraction of ensiled
sudangrass (325 m3/ t VS). On the other hand the acid treatment at 190 °C and 5 min residence
time showed an 11 % increase in the same context. The acid treatment at 190 °C and 5 min
showed the highest final methane yield (362 m3/ t VS).
Conclusively it could be said that all the intermediate crops have a potential for usage in
methane production, assuming other aspects are optimized for its usage. Pretreatment can be
with advantage be used to improve the methane yield, where there is room for improvement.
The question is rather what specific combination of pretreatment conditions will yield the best
enhancement and careful investigations should be made before determining the ultimate
pretreatment for a specific crop.
vv
v
Populärvetenskaplig sammanfattning
- En undersökning av biogaspotential för färska mellangrödor och ångförbehandlad
ensilerat sudangräs.
I detta examensarbete har sex olika mellangrödor (hampa, honungsört, oljerättika, sudangräs,
luddvicker och vitsenap) undersökts för användning till biogas produktion som ett alternativ för
framställning av biobränsle.
Miljöfrågor, behovet av nya bränslen och ökningen av världens befolkning har lett till
uppmärksamheten för förnybara bränslen det senaste årtiondet. Den Europeiska Unionen har
satt gemensamma mål att minska utsläppen av växthusgaserna med 20 % till år 2020, vilket
följs av att minst 10 % av bränslena i transportsektorn ska vara förnybara. Biogas är ett av de
befintliga alternativa bränslena. Dessutom är det mycket fördelaktigt om råvaran för biogasen
inte konkurrerar med jordbruksareal avsedd för livsmedel. De så kallade mellangrödorna blir i
kontexten ett mycket bra alternativ eftersom de förebygger kväveläckage genom att fånga upp
näringsämne från jorden.
En viktig fråga är källan till biobränslet, vilket för närvarande är mest jordbruksgrödor, såsom
majs och vete. Den energigröda som används till produktion av biobränsle bör dock inte
konkurrera med livsmedelsgrödor utan även ha andra funktioner som främjar dess användning.
Mellangrödor är ett lovande material då de bland annat kan förbättra kvalitén i jorden genom
att binda näringsämnen och minska näringsläckaget till närliggande vattendrag. Mellangrödor
etableras och skördas i ett intervall i grödsekvensen eller växtföljden då marken ligger oanvänd
för annan odling, mellan två huvudgrödor. Huvudgrödorna kan till exempel vara potatis,
höstvete eller raps.
Biogas består till största delen av metan och därefter koldioxid. När våra undersökningar
gjordes på metanutbyte blev det oljerättika som gav bäst resultat per hektar, följt av sudangräs.
För sudangräs ansågs det finnas utrymme för förbättringar med hjälp av förbehandling.
Ensilerat sudangräs valdes därför för ytterligare undersökning. Detta utifrån bland annat beslut
om att ensileringen av material blivit bra, hur lätt materialet är att hantera i jordbruket och
resultat för metanutbyte per hektar. Undersökningen delades upp i två typer av förbehandlingar,
en där det ensilerade sudangräset impregnerades med en syra och en där det impregnerades med
en bas. Det ensilerade sudangräset sparades i en vätskefas och en fast fas. Den fasta delen av
sudangräset behandlades med ättiksyra eller med natriumhydroxid. Därefter ångförbehandlades
sudangräset och under ångförbehandlingen testades olika temperaturer och uppehållstider. Den
förbehandling som gav högst metanutbyte var syra-katalyserad sudangräs ångförbehandlat i
190 °C och med 5 minuters uppehållstid. Undersökningen visade att sudangräs katalyserad med
natriumhydroxid som bas inte gav bra resultat, då metanutbytet var lägre än både färskt material
och ensilerat sudangräs.
Analyser på såväl färska mellangrödor, ensilerat material samt förbehandlat sudangräs har
gjorts med avseende på komponentanalyser och undersökningar för metanutbyte. Det har tagits
fram hur mycket socker, biprodukter och lignin som de olika materialen innehåller. Med analys
av dessa resultat tillsammans med resultat för metanutbyte gjordes slutsatser både för färska
mellangrödor och för det förbehandlade sudangräset. Slutligen kom vi fram till att
syrakatalyserad ångförbehandling på sudangräs gav bättre metanutbyte än baskatalyserad.
vii
vii